Eine neue Studie zeigt, dass supermassereiche Schwarze Löcher den gewaltigen Strudel von Trümmern (oder Akkretionsscheiben), der sie umgibt, auseinanderreißen können, indem sie an der Raumzeit zerren, was zu einer inneren und einer äußeren Subscheibe führt. Bildrechte: Nick Kaaz/Northwestern University

Wissen News Supermassive Schwarze Löcher zerreißen den Mahlstrom in ihrer Umgebung

25. September 2023, 16:59 Uhr

Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, sammelt sich – wie bei einem Strudel – in einer um das Loch herumkreisenden Scheibe. Forschende zeigen in einer Simulation, dass das Verhalten dieser Scheiben sehr komplex ist.

Schwarze Löcher krümmen Raum und Zeit in ihrem Umfeld. Diese Krümmung müsste auch die Akkretionsscheiben verändern, die die Löcher umgeben, jene Bereiche also, in denen sich die in das Loch fallende Materie sammelt wie am Rand eines Strudels. Wie komplex der Einfluss der Raumkrümmung auf die Scheibe ist, hat jetzt ein Team von Forschenden simuliert.

Fachbergriff für den Einfluss der Raumkrümmung durch die enorme Schwerkraft des Schwarzen Lochs ist Frame-Dragging. Dieses Frame-Dragging ist in der Nähe eines schwarzen Lochs sehr stark, nimmt jedoch mit größerem Abstand ab.

Die künstlerische Darstellung zeigt den Ereignishorizont um das schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis Bildrechte: M. Moscibrodzka, T. Bronzwaar und H. Falcke, Radboud University

Durch das Frame-Dragging wackelt die gesamte Scheibe in Kreisen – ähnlich wie bei einem Kreisel, der sich dreht. Die innere Scheibe muss dabei aber schneller wackeln als die äußeren Teile. Dieses Ungleichgewicht der Kräfte führt dazu, dass sich die gesamte Scheibe verformt und Materie aus verschiedenen Teilen der Scheibe zusammenstößt. 

Wenn die Akkretionsscheibe reißt, stürzt die innere Scheibe ins schwarze Loch

Die Kollisionen erzeugen helle Schocks, die das Material gewaltsam immer näher an das schwarze Loch herantreiben. Mit zunehmender Verwerfung wackelt die innerste Region der Akkretionsscheibe immer schneller, bis sie vom Rest der Scheibe abbricht. Nun bewegen sich die verschiedenen Teile der Scheibe unabhängig voneinander und das in unterschiedlichen Winkeln und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. 

Der Ort, an dem sich die inneren und äußeren Teilscheiben trennen, wird Reißregion genannt. Und genau hier beginnt der Fressrausch des schwarzen Lochs. Während die Reibung versucht, die Scheibe zusammenzuhalten, will die Verdrehung der Raumzeit durch das rotierende Schwarze Loch sie auseinanderreißen. Die inneren und äußeren Scheiben kollidieren miteinander. Die äußere Scheibe schabt Schichten der inneren Scheibe ab und drückt sie nach innen.

Die Teilscheiben überschneiden sich in verschiedenen Winkeln. Die äußere Scheibe schüttet Material auf die innere Scheibe und die zusätzliche Masse schiebt auch die innere Scheibe in Richtung des Schwarzen Lochs. Dort wird die Materie verschlungen. Die Schwerkraft des Schwarzen Lochs zieht dann Material aus der äußeren Region in die nun leere innere Region, um sie wieder aufzufüllen. Ein ständiger Zyklus von Fressen, Auffüllen und Fressen. 

Dieses Standbild aus einer Simulation zeigt, wie die Akkretionsscheibe eines supermassiven Schwarzen Lochs in zwei Teilscheiben zerreißen kann, die in diesem Bild falsch ausgerichtet sind. Bildrechte: Nick Kaaz/Northwestern University

Studie

Die Studie wurde am 20. September 2023 im Fachmagazin The Astrophysical Journal veröffentlicht: Nozzle shocks, disk tearing and streamers drive rapid accretion in 3D GRMHD simulations of warped thin disks (engl. Düsenstöße, Scheibenrisse und Streamer treiben die schnelle Akkretion in 3D-GRMHD-Simulationen von verzogenen dünnen Scheiben an). Eine erste Version wurde am 18. Oktober 2022 auf dem Pre-Print-Server arxiv.org veröffentlicht.

pk